68. Сульфатостойкие портландцементы (получение, основные характеристики и применение).

Сульфатостойкий портландцемент (СПЦ) изготовляют тонким помолом из клинкера следующего минералогического состава: C₃S - не более 50 %; С₃А - не более 5; С₃А + C4AF - не более 22; MgO - 5 %. Введение в цемент инертных и активных минеральных добавок не допускается. При таком минералогиче­ском составе уменьшается возможность образования в цемент­ном камне (бетоне) под действием сульфатных вод гидросуль- фоалюмината кальция - «цементной бациллы». Его выпускают марки 400. СПЦ применяют при изготовлении конструкций, подверженных действию сульфатных вод, а также морозостой­кого бетона.

69. Глиноземистый, безусадочный, расширяющиеся и напрягающий цементы (получение, основные характеристики и применение).

Глиноземистый цемент - быстротвердеющее гидравлическое вяжущее, состоящее преимущественно из моноалюмината каль­ция (СаО • А1₂Оз). Свое название этот цемент получил от техни­ческого названия оксида алюминия А1₂0₃ - глинозем. Однако для его получения требуется иной клинкер (не портландцементный). Этот цемент является быстротвердеющим вяжущим веще­ством, набирающим через сутки твердения' прочность, которая составляет свыше 85 % марочной.

Получение. Сырьем для глиноземистого цемента служат бокситы и известняки. Бокситы - горная порода, состоящая из гидратов глинозема (А1₂0₃ • nН₂0) и примесей (в основном Fe₂0₃, Si0₂, СаО и др.). Бокситы широко используются в раз­личных отраслях промышленности: для получения алюминия, абразивов, огнеупоров, адсорбентов и т. п., а месторождений с высоким содержанием А1₂0₃ очень немного.

Производство глиноземистого цемента более энергоемко, чем производство портландцемента. Клинкер глиноземистого цемента получают либо обжигом до плавления брикетов в элек­трических или доменных печах при температуре 1400... 1500 °С, либо обжигом шихты до спекания во вращающихся печах при температуре 1200... 1300 °С. Затем следует тонкий размол продукта, который сильно затруднен из-за его высокой твер­дости.

Состав. Химический состав глиноземистого цемента, получаемого разными методами, следующий: СаО - 35...45 %; А1₂0₃ - 30...50; Fe₂0₃ - 0...15; Si0₂ - 5... 15 %. В минеральном составе клинкера глиноземистых цементов преобладает одно- кальциевый алюминат СаО • А1₂0₃ (СА), определяющий основ­ные свойства этого вяжущего. Кроме того, в нем присутствуют: СА₂, C₁₂A₇; двухкальциевый силикат C₂S, отличающийся, как известно, медленным твердением; в качестве неизбежной балла­стной примеси - геленит 2СаО • А1₂0₃ • 2Si0₂.

Твердение. Процесс твердения глиноземистого цемента и прочность образующегося цементного камня существенно за­висят от температуры твердения. При нормальной температуре (до +25 °С) основной минерал цемента СА взаимодействует с водой с образованием кристаллического гидроалюмината каль­ция и гидроксида алюминия в виде гелевидной массы

2(СаО • А1₂0₃) + 11Н₂0 = 2СаО • А1₂0₃ • 8Н₂0 + 2А1(ОН)₃ + Q.

Суммарное тепловыделение Q у глиноземистого цемента не­много ниже, чем у портландцемента (около 300...400 кДж/кг), но протекает оно в очень короткие сроки (в первые сутки выде­ляется 70...80 % от общего количества теплоты). Поэтому воз­можен перегрев бетонов на глиноземистом цементе в случае больших объемов бетонирования.

Если же температура твердеющего глиноземистого цемента превысит 25...30 °С, то процесс твердения изменяется, и вместо С₂АН₈ образуется С₃АН₆; при этом прочность цементного камня будет ниже в 2...2,5 раза. Поэтому глиноземистый цемент не рекомендуется использовать для бетонирования массивных кон­струкций, где возможен саморазогрев бетона, а также в условиях жаркого климата. Изделия на глиноземистом цементе нельзя подвергать тепловой обработке. При работах в зимних условиях, напротив, саморазогрев и быстрое твердение делают глиноземи­стый цемент очень перспективным.

Свойства. Сроки схватывания глиноземистого цемента поч­ти такие же, как у портландцемента: начало - не ранее 30 мин, конец - не позднее 12 ч (реально 4.. .5 ч). После окончания схва­тывания прочность нарастает очень быстро (лавинообразно).

Глиноземистый цемент выпускают марок 400, 500 и 600, оп­ределенных в трехсуточном возрасте, но уже через одни сутки образцы набирают прочность при сжатии соответственно не ме­нее 23, 28 и 33 МПа.

Усадка глиноземистого цемента при твердении на воздухе ниже, чем у портландцемента в 3.. .5 раз; пористость цементного камня ниже примерно в 1,5 раза. Это связано с тем, что при оди­наковой с портландцементом водопотребности глиноземистый цемент при твердении химически связывает 30...45 % воды от массы цемента (портландцемент - около 20 %).

Среда в процессе твердения и в затвердевшем цементном камне у глиноземистого цемента слабощелочная. Свободного Са(ОН)₂ цементный камень не содержит. Это обстоятельство в сочетании с пониженной пористостью делает бетоны на глино­земистом цементе более устойчивыми к коррозии в пресной и минерализованной воде.

Применение. Глиноземистый цемент целесообразно исполь­зовать при аварийных и срочных работах, при зимнем бетониро­вании и в тех случаях, когда от бетона требуется высокая водо­стойкость и водонепроницаемость.

Специальная область применения глиноземистых цементов - жаростойкие бетоны. Объясняется это тем, что, во-первых, в продуктах твердения этого цемента отсутствует Са(ОН)₂ (при нагреве переходит в СаО, который при контакте с водой гасится с увеличением объема) и, во-вторых, при высокой температуре (700...800 °С) между продуктами твердения цемента и заполни­телями бетона начинаются реакции в твердой фазе, по мере про­текания которых прочность бетона не падает, а повышается, так как бетон превращается в керамический материал.

Кроме того, глиноземистый цемент является компонентом многих расширяющихся цементов, которые даже при твердении на воздухе имеют небольшое увеличение в объеме. Безусадоч­ные цементы - это расширяющиеся цементы, у которых расши­рение только компенсирует усадку. Поэтому такие цементы как бы сами уплотняют себя, делая бетон водонепроницаемым. Если расширяющиеся цементы используются в железобетонных кон­струкциях, то эффект расширения вяжущего может вызывать натяжение арматуры и сжатие самого бетона, что дополнительно защитит его от образования трещин. Такие це­менты называют напрягающими.

Эффект расширения вяжущего может быть достигнут раз­личными методами, например путем гашения свободного СаО, добавляемого в твердеющее вяжущее, либо с помощью образо­вания эттрингита - гидросульфоалюмината кальция ЗСаО • А1₂0₃ • 3CaS0₄ • (31...32)Н₂0. Последнее возможно при взаимо­действии алюминатов и сульфатов кальция в водной среде.

В твердеющем материале протекают два процесса - расши­рение, обусловленное процессом кристаллизации эттрингита (или гашения СаО) с увеличением объема новообразований и ростом внутренних растягивающих напряжений, и препятст­вующий расширению процесс - рост прочности самого цемент­ного камня. Если рост расширяющихся новообразований будет протекать при недостаточной прочности цементного камня, то податливая гелеобразная масса будет сжиматься и заметного расширения не произойдет. И наоборот, если рост расширяю­щихся новообразований будет продолжаться, когда цементный камень набрал достаточно высокую прочность, то напряжения, обусловленные ростом кристаллов в ограниченном объеме, мо­гут вызвать падение прочности и даже разрушение цементного камня.

В свою очередь деформации расширения могут быть свобод­ными и связанными, т. е. когда расширение цементного камня ограничено арматурой или кондуктором (формой). Деформации бетона при свободном расширении выше, чем при связанном, что обусловлено низкой прочностью цементного камня в раНнем возрасте и его неспособностью напрягать кондуктор, а в более позднем возрасте - появлением микро- и макротрещин, которые увеличивают свободное расширение, но не вызывают дополни­тельного самонапряжения.

Связанные деформации вызывают самонапряжение, проти­водействуют развитию усадочных деформаций и способствуют самоуплотнению цементного камня, усилению контакта камня с заполнителем и кристаллизационных контактов. При изготовле­нии преднапряженных железобетонных конструкций в этом слу­чае меньше потери преднапряжения и выше трещиностойкость получаемых изделий.

Главной задачей при разработке составов расширяющихся и безусадочных вяжущих является правильный выбор не толь­ко вида и количества расширяющихся компонентов, но и момен­та их образования относительно процесса формирования струк­туры цементного камня. Для различных видов расширяющих­ся цементов период наиболее интенсивного и безопасного рас­ширения цементного камня составляет от 12 ч до 3...7 сут. в зависимости от свойств основного структурообразующего вяжущего.

Для обеспечения образования эттрингита в смесях с безуса­дочными и расширяющимися цементами должна присутствовать вода в продолжение всего периода твердения. Кроме того, эти цементы нельзя применять при работе конструкций при темпе­ратурах выше 80 °С, так как постепенно разрушается важный кристаллический компонент цементного камня - эттрингнт: он отдает кристаллизационную воду, что сопровождается падением прочности.

Расширяющийся водонепроницаемый цемент получают со­вместным помолом глиноземистого цемента (70 %), гипса (20 %) и высокоосновного гидроалюмината кальция СдАНп (10 %). Он является быстросхватывающимся и быстротвердеющим гидрав­лическим вяжущим веществом (R^ через 6 ч - не менее 7,5 МПа, через 3 сут. - не ниже 30 МПа).

Линейное расширение твердеющего цемента на воздухе со­ставляет в возрасте 1 сут. не менее 0,05 %, в возрасте 28 сут. - не менее 0,02 %. Цемент используют при восстановлении желе­зобетонных конструкций, для гидроизоляции подземных сооружений, зачеканки трещин и стыков.

Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент получают со­вместным помолом высокоглиноземистых шлаков (70 %) и дву- водного гипса (30 %). Гипсоглиноземистый расширяющийся цемент имеет начало схватывания не ранее 20 мин и конец схва­тывания не позднее 4 ч от начала затворения. При необходимо­сти могут использоваться замедлители сроков схватывания - JICT, бура, уксусная кислота и др. Линейное расширение твер­деющего цемента в состоянии теста нормальной густоты при твердении на воздухе составляет в возрасте 28 сут. не менее 0,1 %. Предел прочности при сжатии через 1 сут. твердения со­ставляет 35 МПа для марки 400 и 45 МПа - для марки 500. Мар­ки цемента соответствуют трехдневному возрасту. Гипсоглино­земистый расширяющийся цемент применяют для получения безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых бетонов, гидроизоляционных штукатурных растворов, при бурении сква­жин и т. п. Он обладает морозо- и атмосферостойкостью в рас­творах и бетонах, изготовляемых на его основе.

Напрягающийся цемент (НЦ) получают совместным помо­лом клинкера портландцемента (65...75 %), двуводного гипса (6... 10 %) и высокоглиноземистого компонента (13...20 %). Сроки схватывания: начало - не ранее 30 мин, конец - не по­зднее 4 ч. Прочность через 1 сут. - не менее 15 МПа, через 28 сут. - не менее 50 МПа.

Напрягающий цемент обладает способностью к значитель­ному расширению (до 4 %) при твердении в состоянии цемент­ного теста нормальной густоты. В железобетоне НЦ создает по­сле отвердевания в арматуре предварительное напряжение. Этим свойством как функцией химической энергии цемента пользу­ются при изготовлении предварительно напряженных железобе­тонных конструкций. С учетом величины достигаемой энергии самонапряжения, т. е. удельного давления в МПа, развиваемого при твердении НЦ в условиях ограничения свободного расши­рения, выделяют его разновидности НЦ-2, НЦ-4 и НЦ-6. Напря­гающий цемент отличается также повышенными показателями водо- и газонепроницаемости, морозостойкости, прочности при растяжении и изгибе. Марки цемента (400 и 500) определяются испытанием образцов-бапочек из цементно-песчаного раствора Состава 1 : 1 в возрасте 28 сут.

Напрягающий цемент применяют для изготовления конст­рукций из самонапряженного железобетона, а также для гидро­изоляции шахт, подвалов, зачеканки швов и т. д.

Перспективная область применения бетонов и растворов на расширяющихся и безусадочных вяжущих - бесшовные тонкос­лойные стяжки или лицевые покрытия полов большой площади. С помощью полимерных модификаторов таким смесям придают свойство самовыравнивания, а эффект безусадочности гаранти­рует трещиностойкость покрытия. Быстрое твердение и защит­ные полимерные добавки обеспечивают необходимое количест­во воды для протекания полной гидратации без какого-либо специального ухода.